Java 并发编程 （十）：显示锁 Condition 接口

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1、概述

Condition 接口也提供了类似 Object 的监视器方法，它与 Lock 配合可以实现 等待/通知 模式，

当要实现一个等待/通知模式时，我们首先想到的就是 synchronized 同步关键字，它配合 Object 的 wait()、notify() 等系列方法实现。

还有一种实现方式，那就是使用显式锁 Lock ，配合 Condition 也可以实现等待/通知模式。

Object的监控器方法 和 Condition 接口，两者在使用方式及功能特性上还是有差别的，对比如下：

对比项	Object 监视器	Condition
前置条件	获取对象锁	Lock.lock() 获取锁,Lock.newCondition() 获取 Condition 对象
调用方式	直接调用，object.wait()	直接调用,condition.await()
等待队列数量	1个	多个
当前线程释放锁并进入等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态，在等待状态中不响应中断	不支持	支持
当前线程释放锁并进入超时等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态直到将来某个时间	不支持	支持
唤醒等待队列中的一个线程	支持	支持
唤醒等待队列中的所有线程	支持	支持

2、Condition 实现分析

Condition 定义了 等待/通知 两种类型的方法，当前线程调用这些方式之前，必须获取 Condition 对象相关联的锁。

Condition 是一个接口，
Condition 的实现类是 Lock（AQS）中的 ConditionObject。
Lock 接口中有个 newCondition() 方法，通过这个方法可以获得 Condition 对象（就是 ConditionObject）。

Condition 的使用方式比较简单，需要注意的是在调用方法前必须先获取锁：

Lock lock  = new ReentrantLock();
Condition c1 = lock.newCondition();
Condition c2 = lock.newCondition();

lock.newCondition() 返回的是Condition的一个实现，该类在AbstractQueuedSynchronizer中被实现，该实现类为 ConditionObject

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
        private transient Node firstWaiter;
        private transient Node lastWaiter;
        ...

可以看到，等待队列和同步队列一样，使用的都是同步器 AQS 中的节点类 Node。
同样拥有首节点和尾节点，每个 Condition 对象都包含着一个 FIFO 队列。

2.1、Condition 接口方法说明

Condition 接口包含以下方法：

2.1.1、void await() throws InterruptedException：

当前线程进入等待状态直到被通知（signal）或者中断；

当前线程进入等待状态，直到被唤醒的场景有以下情况：

（1）其他线程调用相同 Condition 对象的 signal/signalAll 方法，当前线程被唤醒；

（2）其他线程调用 interrupt 方法中断了当前线程；

2.1.2、void awaitUninterruptibly()

当前线程进入等待状态直到被通知，在此过程中对中断信号不敏感，不支持中断当前线程，直到其它线程调用了相同 Condition 对象的 signal/signalAll 方法，当前线程才能被唤醒

2.1.3、long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

当前线程进入等待状态，直到被通知（signal/signalAll）、中断（interrupt）或者超时才会被唤醒

2.1.4、boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

当前线程进入等待状态，直到被通知（signal/signalAll）、中断（interrupt）或者过了指定时间才会被唤醒

2.1.5、boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

当前线程进入等待状态，直到被通知、中断或者超时。如果没到指定时间被通知，则返回true，否则返回false

2.1.6、void signal();

唤醒一个等待在Condition上的线程，被唤醒的线程在方法返回前必须获得与Condition对象关联的锁

2.1.7、void signalAll();

唤醒所有等待在Condition上的线程，能够从await()等方法返回的线程必须先获得与Condition对象关联的锁

2.2、等待 await() 方法实现分析

public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            //释放同步状态（锁）
            long savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            //判断节点是否放入同步对列
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                //阻塞
                LockSupport.park(this);
                //如果已经中断了，则退出
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

分析上述方法的大概过程：

1、将当前线程创建为节点，加入等待队列；

2、释放锁，唤醒同步队列中的后继节点；

3、while循环判断节点是否放入同步队列：

• 没有放入，则阻塞，继续 while 循环（如果已经中断了，则退出）

• 已经放入，则退出 while 循环，执行后面的判断

4、退出 while 说明节点已经在同步队列中，调用 acquireQueued() 方法加入同步状态竞争。

5、竞争到锁后从 await() 方法返回，即退出该方法。

2.2.1、addConditionWaiter() 方法：

该方法是添加新的节点到等待队列并返回该节点

 private Node addConditionWaiter() {
            Node t = lastWaiter;
            //清除条件队列中所有状态不为 CONDITION 的节点
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            if (t == null)
                firstWaiter = node;
            else
                t.nextWaiter = node;
            lastWaiter = node;
            return node;
        }

同步队列的首节点移动到等待队列。加入尾节点之前会清除所有状态不为 Condition 的节点。

2.3、通知 signal() 方法实现分析

调用 Condition 的 signal() 方法，可以唤醒等待队列的首节点（等待时间最长），唤醒之前会将该节点移动到同步队列中。

        public final void signal() {
            //如果同步状态不是被当前线程独占，直接抛出异常。
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            
            //通知等待队列队首的节点
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }
        
        
        private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }
        
        
        final boolean transferForSignal(Node node) {
        //将节点状态变为0 
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;

        //将该节点加入同步队列
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        //如果结点p的状态为cancel 或者修改waitStatus失败，则直接唤醒
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

1、先判断当前线程是否获取了独占锁；

2、然后对首节点调用 doSignal() 方法，修改首节点

3、调用 transferForSignal() 方法将节点移动到同步队列

4、调用同步器的 enq 方法，将节点移动到同步队列

5、满足条件后使用 LockSupport 唤醒该线程

signalAll() 方法

将等待队列中的全部节点移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程

public final void signalAll() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignalAll(first);
        }
        
        private void doSignalAll(Node first) {
            lastWaiter = firstWaiter = null;
            do {
                Node next = first.nextWaiter;
                first.nextWaiter = null;
                transferForSignal(first);
                first = next;
            } while (first != null);
        }

doSignalAll() 方法使用了 do-while 循环来唤醒每一个等待队列中的节点，直到 first 为 null 时，停止循环。

2.4、等待/通知 过程总结

1、一个线程获取锁后，通过调用 Condition 的 await() 方法，会将当前线程先加入到等待队列中，并释放锁。然后就在 await() 中的一个 while 循环中判断节点是否已经在同步队列，是则尝试获取锁，否则一直阻塞。

2、当线程调用 signal() 方法后，程序首先检查当前线程是否获取了锁，然后通过 doSignal(Node first) 方法将节点移动到同步队列，并唤醒节点中的线程。

3、被唤醒的线程，将从 await() 中的 while 循环中退出来，然后调用 acquireQueued() 方法竞争同步状态。竞争成功则退出 await() 方法，继续执行。

3、Condition 使用示例

下面通过一个有界队列的示例来了解 Condition 的使用方式。有界队列是一种特殊队列，当队列为空时，队列的获取操作将会阻塞获取的线程，直到队列中有新增加的元素；当队列满时，队列的插入操作将会阻塞插入的线程，直到队列有了可用空间。

package com.lkf.condition;

import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 有界队列
 *
 * @author kaifeng
 * @date 2019/1/1
 */
public class BoundedQueue {
    //定义为数组，在创建对象时就确定容量
    private Integer[] items;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private Condition notFull = lock.newCondition();

    // 添加的下标，删除的下标和数组当前元素数量
    private int addIndex, removeIndex, count;

    public BoundedQueue(int size) {
        items = new Integer[size];
    }

    /**
     * 添加一个元素，如果数组满了，则添加线程进入等待状态
     *
     * @param object 添加的元素
     */
    public void add(Integer object) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == items.length) {
                notFull.await();
            }
            items[addIndex] = object;
            if (++addIndex == items.length) {
                addIndex = 0;
            }
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread() + " 新增一个元素，当前数组为：" + Arrays.toString(items));
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 从头部删除一个元素，如果数组为空，则删除线程进入等待状态，直到有新元素添加
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public Integer remove() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            Integer temp = items[removeIndex];
            items[removeIndex] = null;
            System.out.println(Thread.currentThread() + " 读取一个元素，当前数组为：" + Arrays.toString(items));
            if (++removeIndex == items.length) {
                removeIndex = 0;
            }
            count--;
            notFull.signal();
            return temp;
        } finally {
            lock.unlock();
        }


    }
}

有界队列测试客户端：

package com.lkf.condition;

import java.util.Random;
import java.util.function.Consumer;

/**
 * 有界队列测试
 *
 * @author kaifeng
 * @date 2019/1/1
 */
public class ConditionDemo {
    private final static Random random = new Random();

    public static void main(String[] args) {
        BoundedQueue queue = new BoundedQueue(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new ProducterRunable(queue), "ProdducterThread_".concat(String.valueOf(i)));
            thread.start();
        }

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new ConsumerRunable(queue), "ConsumerThread_".concat(String.valueOf(i)));
            thread.start();
        }

    }

    /**
     * 插入元素到队列
     */
    static class ProducterRunable implements Runnable {
        private BoundedQueue queue;

        public ProducterRunable(BoundedQueue queue) {
            this.queue = queue;
        }

        public void produce() throws InterruptedException {
            queue.add(new Integer(random.nextInt(100)));
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                produce();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 从队列读取元素
     */
    static class ConsumerRunable implements Runnable {
        private BoundedQueue queue;

        public ConsumerRunable(BoundedQueue queue) {
            this.queue = queue;
        }

        public Integer remove() throws InterruptedException {
            return queue.remove();
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                remove();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

测试结果如下：

Thread[ProdducterThread_0,5,main] 新增一个元素，当前数组为：[91, null, null, null, null]
Thread[ProdducterThread_2,5,main] 新增一个元素，当前数组为：[91, 79, null, null, null]
Thread[ProdducterThread_1,5,main] 新增一个元素，当前数组为：[91, 79, 24, null, null]
Thread[ProdducterThread_3,5,main] 新增一个元素，当前数组为：[91, 79, 24, 30, null]
Thread[ProdducterThread_4,5,main] 新增一个元素，当前数组为：[91, 79, 24, 30, 70]
Thread[ConsumerThread_0,5,main] 读取一个元素，当前数组为：[null, 79, 24, 30, 70]
Thread[ConsumerThread_1,5,main] 读取一个元素，当前数组为：[null, null, 24, 30, 70]
Thread[ConsumerThread_2,5,main] 读取一个元素，当前数组为：[null, null, null, 30, 70]
Thread[ConsumerThread_3,5,main] 读取一个元素，当前数组为：[null, null, null, null, 70]
Thread[ConsumerThread_4,5,main] 读取一个元素，当前数组为：[null, null, null, null, null]